特許 6367175 半導体発光素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6367175

(24)【登録日】2018年7月13日

(45)【発行日】2018年8月1日

(54)【発明の名称】半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/12 20100101AFI20180723BHJP

【ＦＩ】

   H01L33/12

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2015-251601(P2015-251601)

(22)【出願日】2015年12月24日

(62)【分割の表示】特願2014-89637(P2014-89637)の分割

【原出願日】2012年9月5日

(65)【公開番号】特開2016-136619(P2016-136619A)

(43)【公開日】2016年7月28日

【審査請求日】2015年12月25日

【審判番号】不服2017-10988(P2017-10988/J1)

【審判請求日】2017年7月24日

(31)【優先権主張番号】61/580,729

(32)【優先日】2011年12月28日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】317016523

【氏名又は名称】アルパッド株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(72)【発明者】

【氏名】布谷 伸仁

(72)【発明者】

【氏名】赤池 康彦

(72)【発明者】

【氏名】夏目 嘉徳

(72)【発明者】

【氏名】古川 和由

【合議体】

【審判長】 居島 一仁

【審判官】 森 竜介

【審判官】 星野 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−７３６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４０９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２５１１１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３１３４３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−３４７５８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１０１４１３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平１−２５９５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−１８３４０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01L 33/12

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
ＬＥＤ層と、
前記基板と前記ＬＥＤ層との間に設けられ、金インジウム合金からなる接合層と、
前記基板と前記接合層との間に配置され、純金からなる第１の緩衝層と、
前記接合層と前記ＬＥＤ層との間に配置され、純金からなる第２の緩衝層と、
を備えた半導体発光素子。

【請求項2】

前記第２の緩衝層と前記ＬＥＤ層との間に設けられ、純銀からなる反射層をさらに備えた請求項１記載の半導体発光素子。

【請求項3】

前記第１または第２の緩衝層の厚さは０．１〜１μｍである請求項１または２に記載の半導体発光素子。

【請求項4】

前記接合層と前記第１の緩衝層との間に配置され、チタンを含む層と、白金を含む層とを有するバリア層をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項5】

前記接合層と前記第２の緩衝層との間に配置され、チタンを含む層と、白金を含む層とを有するバリア層をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項6】

前記バリア層は、
チタンを含む第１層と、
チタンを含む第２層と、
前記第１層と前記第２層との間に配置され、白金を含む第３層と、
を有した請求項４または５に記載の半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、半導体発光素子に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）層及び支持基板を備えたＬＥＤでは、ＬＥＤ層と支持基板との間に金合金等の接合層を有するものがある。

【0003】

この種のＬＥＤでは、ダイシング等の製造時、ＬＥＤ層、支持基板及び接合層などの界面が剥離してしまう場合があり、歩留まりが低下する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１２９６２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本実施形態は、界面剥離が生じにくい半導体発光素子を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

実施形態に係る半導体発光素子は、基板と、ＬＥＤ層と、前記基板と前記ＬＥＤ層との間に設けられ、金インジウム合金からなる接合層と、前記基板と前記接合層との間に配置され、純金からなる第１の緩衝層と、前記接合層と前記ＬＥＤ層との間に配置され、純金からなる第２の緩衝層と、を備える。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１の実施形態に係る半導体発光素子を例示する断面図である。

【図2】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程断面図である。

【図3】（ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程断面図である。

【図4】第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程断面図である。

【図5】第２の実施形態に係る半導体発光素子を例示する断面図である。

【図6】（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程断面図である。

【図7】第３の実施形態に係る半導体発光素子を例示する断面図である。

【図8】第４の実施形態に係る半導体発光素子を例示する断面図である。

【図9】第５の実施形態に係る半導体発光素子を例示する断面図である。

【図10】比較例に係る半導体発光素子を例示する断面図である。

【図11】比較例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る半導体発光素子を例示する断面図である。
本実施形態に係る半導体発光素子は、薄膜型ＬＥＤである。

【0009】

図１に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子１においては、例えば、単結晶のシリコン（Ｓｉ）からなる支持基板１０が設けられている。支持基板１０上には、バリア層１１が設けられている。バリア層１１は、例えば、チタン（Ｔｉ）層２１、白金（Ｐｔ）層２２及びチタン（Ｔｉ）層２３がこの順に積層された（Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ）３層膜である。

【0010】

バリア層１１上には、接合層１２が設けられている。接合層１２は金インジウム（Ａｕ−Ｉｎ）合金により形成されている。接合層１２の厚さは、例えば１〜５μｍ程度である。接合層１２上には、バリア層１３が設けられている。バリア層１３は、バリア層１１と同様な（Ｔｉ／Ｐｔ／Ｔｉ）３層膜である。

【0011】

バリア層１３上には、緩衝層１４が設けられている。緩衝層１４は接合層１２よりも軟質である。例えば、緩衝層１４を形成する材料のヤング率は、接合層１２の形成する材料のヤング率よりも低い。緩衝層１４は金（Ａｕ）を含む材料、例えば、純金により形成されている。緩衝層１４の厚さは例えば０．１〜１μｍであり、例えば０．４μｍである。

【0012】

緩衝層１４上には、バリア層１５が設けられている。バリア層１５の構成は、バリア層１１と同様である。バリア層１５上には、反射層１６が設けられている。反射層１６は、銀（Ａｇ）を含む材料からなり、例えば、純銀からなる。なお、反射層１６は、アルミニウム（Ａｌ）により形成されていてもよい。

【0013】

反射層１６上には、ＬＥＤ層１７が設けられている。ＬＥＤ層１７は、電力が供給されることにより発光する層である。ＬＥＤ層１７においては、支持基板１０側から順に、ｐ形層２５、発光層２６及びｎ形層２７が積層されている。ＬＥＤ層１７の構造は、例えば、インジウム−アルミニウム−ガリウム−リン（ＩｎＡｌＧａＰ）の４元系成分からなるＭＱＷ（Multiple Quantum Well:多重量子井戸）構造である。
ＬＥＤ層１７上の一部には、上部電極層１８が設けられている。また、支持基板１０の下面上の全面には、下部電極層１９が設けられている。

【0014】

バリア層１１は、支持基板１０と接合層１２との間の反応を抑制する層である。バリア層１３は、接合層１２と緩衝層１４との間の反応を抑制する層である。バリア層１５は、緩衝層１４と反射層１６との間の反応を抑制する層である。なお、各バリア層は、ニッケル（Ｎｉ）を含む層により形成されていてもよい。反射層１６は、ＬＥＤ層１７から下方に向けて出射された光を、上方に向けて反射する層である。

【0015】

次に、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）、図３（ａ）及び（ｂ）、図４は、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程断面図である。

【0016】

先ず、図２（ａ）に示すように、支持基板１０を用意する。支持基板１０には、例えば、シリコンウェーハを用いる。そして、支持基板１０上にチタン層２１（図１参照）、白金層２２（図１参照）及びチタン層２３（図１参照）をこの順に堆積させることにより、バリア層１１を形成する。次に、金を含む材料、例えば、純金を堆積させて、バリア層１１上に接合層３１を形成する。接合層３１の厚さは、完成後の半導体発光素子１における接合層１２（図１参照）の厚さの半分程度とする。このようにして、支持基板１０上にバリア層１１及び接合層３１が積層された支持部材４１が作製される。

【0017】

一方、図２（ｂ）に示すように、結晶成長用基板３０を用意する。結晶成長用基板３０には、例えば、単結晶のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）基板を用いる。そして、結晶成長用基板３０上に、ｎ形層２７（図１参照）、発光層２６（図１参照）及びｐ形層２５（図１参照）をこの順にエピタキシャル成長させることにより、ＬＥＤ層１７を形成する。

【0018】

次に、例えば銀を堆積させて、ＬＥＤ層１７上に反射層１６を形成する。次に、チタン、白金及びチタンをこの順に堆積させて、バリア層１５を形成する。次に、金を含む材料、例えば純金を堆積させて、バリア層１５上に緩衝層１４を形成する。次に、緩衝層１４上にバリア層１３を形成する。次に、金を含む材料、例えば、純金を堆積させて、バリア層１３上に接合層３２を形成する。接合層３２の厚さは、完成後の半導体発光素子１における接合層１２（図１参照）の厚さの半分程度とする。このようにして、結晶成長用基板３０上にＬＥＤ層１７、反射層１６、バリア層１５、緩衝層１４、バリア層１３及び接合層３２がこの順に積層されたＬＥＤ部材４２が作製される。

【0019】

次に、図２（ｃ）に示すように、接合層３１上又は接合層３２上の少なくとも一方に、インジウム層３３を形成する。そして、支持部材４１の接合層３１と、ＬＥＤ部材４２の接合層３２とを、インジウム層３３を介して当接させることにより、支持部材４１とＬＥＤ部材４２とを重ね合わせる。この段階では、接合層３１と接合層３２との間には、多数のボイド（図示せず）が存在する。

【0020】

次に、図３（ａ）に示すように、熱処理を施し、インジウム層３３を溶融させる。これにより、インジウム層３３が液相となり、ボイドを埋める。また、インジウム層３３を構成するインジウム原子は、接合層３１及び接合層３２の内部に拡散し、接合層３１及び３２を構成する金原子と反応して、金インジウム合金を形成する。これにより、接合層３１及び接合層３２は、インジウム層３３を介して接合されて、金インジウム（Ａｕ−Ｉｎ）合金からなる１枚の接合層１２となる。この過程において、純金からなる接合層３１及び３２は、金インジウム合金からなる接合層１２に変化するため、硬質になり、粘性が低下する。

【0021】

但し、このとき、接合層３２内に拡散したインジウム原子は、バリア層１３によって拡散を阻止されるため、緩衝層１４内に侵入して緩衝層１４を構成する金と反応することはない。このため、緩衝層１４の組成は純金のままである。従って、緩衝層１４は、接合後の接合層３１及び３２、すなわち、金インジウム合金からなる接合層１２よりも軟質である。

【0022】

次に、図３（ｂ）に示すように、結晶成長用基板３０（図３（ａ）参照）を除去する。次に、ＬＥＤ層１７における結晶成長用基板３０に接していた面上の一部に、上部電極層１８を形成する。また、支持基板１０の下面上の全面に下部電極層１９を形成する。次に、シンター処理を行う。すなわち、熱処理を施すことにより、上部電極層１８をＬＥＤ層１７にオーミック接続させると共に、下部電極層１９を支持基板１０にオーミック接続させる。

【0023】

次に、図４に示すように、上述のようにして作製された積層体、すなわち、下部電極層１９、支持基板１０、バリア層１１、接合層１２、バリア層１３、緩衝層１４、バリア層１５、反射層１６、ＬＥＤ層１７及び上部電極層１８からなる積層体４３を、ブレード５０によってダイシングする。ブレード５０は、例えば円板状であり、回転することによって積層体４３を局所的に除去する。この結果、積層体４３が複数個の半導体発光素子１に切り分けられる。このようして、半導体発光素子１が製造される。

【0024】

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
図２（ｃ）に示す工程において、支持部材４１上にＬＥＤ部材４２を搭載する際に、接合層３１と接合層３２との間には、多数のボイドが発生する。このとき、仮に、インジウム層３３を設けずに、金からなる接合層３１と接合層３２とを直接当接させると、金は流動性が低いため、図３（ａ）に示す熱処理を行っても、これらのボイドが消滅せずに接合層１２内に残留し、接合強度が低くなってしまう。

【0025】

そこで、本実施形態においては、接合層３１及び接合層３２を、インジウム層３３を挟んで当接させた上で加熱している。これにより、インジウム層３３が液体化して流動し、ボイドを埋める。すなわち、接合層３１と接合層３２とを液相拡散接合によって強固に接合させることができる。但し、これにより、接合層１２は金インジウム合金となり、硬くなってしまう。

【0026】

本実施形態においては、接合層１２と反射層１６との間に、接合層１２よりも軟質で粘性が高い緩衝層１４を配置している。これにより、図４に示すダイシング工程において、積層体４３に印加される機械的な応力及び衝撃を、緩衝層１４が緩和することができる。この結果、ダイシング工程において、積層体４３における各層の界面で剥離が生じることを抑制できる。これにより、半導体発光素子１を高い歩留まりで製造することができ、コストを低く抑えることができる。特に、緩衝層１４を金によって形成することにより、特に軟質で、導電性が高く、腐食しにくい緩衝層を実現することができる。

【0027】

更に、本実施形態においては、接合層１２と緩衝層１４との間にバリア層１３を設けている。これにより、図３（ａ）に示す接合に際しても、図３（ｂ）に示すシンター処理に際しても、接合層１２内を拡散するインジウム原子が緩衝層１４内に進入することを抑制でき、緩衝層１４を軟質な純金の状態に保つことができる。また、支持基板１０と接合層１２との間にバリア層１１を設け、緩衝層１４と反射層１６との間にバリア層１５を設けているため、これらの基板及び層の間の反応も抑制することができる。

【0028】

次に、第２の実施形態について説明する。
図５は、本実施形態に係る半導体発光素子を例示する断面図である。
図５に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子２は、前述の第１の実施形態に係る半導体発光素子１（図１参照）と比較して、接合層１２と緩衝層１４とが逆に配置されている点が異なっている。すなわち、支持基板１０上に、バリア層１１、緩衝層１４、バリア層１３、接合層１２、バリア層１５、反射層１６及びＬＥＤ層１７が、この順に積層されている。

【0029】

図６（ａ）〜図６（ｃ）は、本実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を例示する工程断面図である。
先ず、図６（ａ）に示すように、支持基板１０上に、チタン、白金及びチタンをこの順に堆積させて、バリア層１１を形成する。次に、金を含む材料、例えば純金を堆積させて、バリア層１１上に緩衝層１４を形成する。次に、緩衝層１４上にバリア層１３を形成する。次に、金を含む材料、例えば、純金を堆積させて、バリア層１３上に接合層３１を形成する。このようにして、支持基板１０上にバリア層１１、緩衝層１４、バリア層１３及び接合層３１が積層された支持部材４６が作製される。

【0030】

一方、図６（ｂ）に示すように、結晶成長用基板３０上にＬＥＤ層１７を形成する。次に、例えば銀を堆積させて、ＬＥＤ層１７上に反射層１６を形成する。次に、反射層１６上にバリア層１５を形成する。次に、金を含む材料、例えば、純金を堆積させて、バリア層１５上に接合層３２を形成する。このようにして、結晶成長用基板３０上にＬＥＤ層１７、反射層１６、バリア層１５及び接合層３２がこの順に積層されたＬＥＤ部材４７が作製される。

【0031】

以後の製造方法は、前述の第１の実施形態と同様である。すなわち、図６（ｃ）に示すように、接合層３１と接合層３２とを、インジウム層３３を介して当接させる。次に、接合層３１及び接合層３２に含まれる金とインジウム層３３に含まれるインジウムとを反応させることにより、接合層３１と接合層３２とを接合させる。これにより、金インジウム合金からなる接合層１２が形成される。次に、結晶成長用基板３０を除去する。次に、図５に示すように、ＬＥＤ層１７上に上部電極雄１８を形成すると共に、支持基板１０の下面上に下部電極層１９を形成する。次に、熱処理を施すことにより、上部電極層１８をＬＥＤ層１７にオーミック接続させると共に、下部電極層１９を支持基板１０にオーミック接続させる。そして、支持基板１０、バリア層１１、緩衝層１４、バリア層１３、接合層１２、バリア層１５、反射層１６及びＬＥＤ層１７からなる積層体をダイシングして切り分ける。これにより、本実施形態に係る半導体発光素子２が製造される。

【0032】

本実施形態によっても、前述の第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0033】

次に、第３の実施形態について説明する。
図７は、本実施形態に係る半導体発光素子を例示する断面図である。
図７に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子３においては、緩衝層１４が２層設けられており、支持基板１０と接合層１２との間、及び、接合層１２と反射層１６との間にそれぞれ配置されている。また、バリア層１３も２層設けられており、各緩衝層１４と接合層１２との間にそれぞれ配置されている。すなわち、支持基板１０上に、バリア層１１、緩衝層１４、バリア層１３、接合層１２、バリア層１３、緩衝層１４、バリア層１５、反射層１６及びＬＥＤ層１７が、この順に積層されている。

【0034】

このような半導体発光素子３は、図６（ａ）に示す支持部材４６、及び図２（ｂ）に示すＬＥＤ部材４２をそれぞれ作製して、インジウム層３３を介して接合し、その後、上部電極層１８及び下部電極層１９を形成し、ダイシングすることによって製造することができる。

【0035】

本実施形態によれば、緩衝層１４が接合層１２を挟んで２層設けられているため、ダイシングの際の層間の剥離をより確実に防止することができる。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0036】

次に、第４の実施形態について説明する。
図８は、本実施形態に係る半導体発光素子を例示する断面図である。
図８に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子４においては、前述の第１の実施形態に係る半導体発光素子１（図１参照）の構成に加えて、反射層１６とＬＥＤ層１７との間に、導電性合金化抑制層４８が設けられている。導電性合金化抑制層４８は、反射層１６及びＬＥＤ層１７との間で合金化反応せず、且つ、電気的な導通を確保できる構造を持つ層であり、光を透過させる層であることが好ましい。導電性合金化抑制層４８としては、例えば、ＩＴＯ（Indium-Tin-Oxide：スズドープ酸化インジウム）層を用いることができる。

【0037】

本実施形態においては、導電性合金化抑制層４８を設けることにより、反応層１６とＬＥＤ層１７との間に合金化反応層が形成されることを防止し、この合金化反応層が光の吸収層となって反射効率が低下することを防止できる。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0038】

次に、第５の実施形態について説明する。
図９は、本実施形態に係る半導体発光素子を例示する断面図である。
図９に示すように、本実施形態に係る半導体発光素子５においては、前述の第１の実施形態に係る半導体発光素子１（図１参照）の構成に加えて、反射層１６とＬＥＤ層１７との間に、電流狭窄層４９が設けられている。電流狭窄層４９は、ＬＥＤ層１７に供給される電流の電流経路上に任意のパターンで選択的に配置された絶縁性の層であり、例えば、シリコン酸化層又はシリコン窒化層等の電気的な絶縁層を用いることができる。

【0039】

本実施形態においては、電流狭窄層４９を設けることにより、ＬＥＤ層１７に供給される電流の電流密度を調整することができる。
本実施形態における上記以外の構成、製造方法及び作用効果は、前述の第１の実施形態と同様である。

【0040】

なお、電流狭窄層４９の配設位置は反射層１６とＬＥＤ層１７との間には限定されず、ＬＥＤ層１７に供給される電流の電流経路に介在できる位置であればよい。また、前述の第４の実施形態における導電性合金化抑制層４８（図８参照）及び本実施形態における電流狭窄層４９は、双方設けてもよい。

【0041】

なお、前述の各実施形態においては、接合層３１及び３２を金により形成し、インジウム層３３を介して接合することにより、接合層１２を金インジウム合金により形成し、一方、緩衝層１４を金により形成する例を示したが、これには限定されない。緩衝層１４は接合後の接合層１２よりも軟質であれば、ダイシングに伴うストレスを緩和する効果が得られる。

【0042】

次に、比較例について説明する。
図１０は、本比較例に係る半導体発光素子を例示する断面図であり、
図１１は、本比較例に係る半導体発光素子の製造方法を例示する図である。

【0043】

図１０に示すように、本比較例に係る半導体発光素子１０１においては、緩衝層１４（図１参照）が設けられていない。また、接合層１２と緩衝層１４との間に配置されるバリア層１３（図１参照）も設けられていない。

【0044】

図１１に示すように、このような半導体発光素子１０１を製造しようとすると、ダイシング工程において、いずれかの界面で剥離が発生することが多い。特に、密着性が低い界面、例えば、半導体と金属の界面である支持基板１０とバリア層１１との界面、及び、バリア層１５と反射層１６との界面で、剥離が頻発する。これは、緩衝層１４が設けられていないため、ダイシングに伴う機械的なストレスが緩和されず、積層体における最も弱い部分に集中するためと考えられる。この結果、半導体発光素子１０１は、歩留まりが低く、製造コストが高くなる。

【0045】

以上説明した実施形態によれば、ダイシング工程において剥離が生じにくい半導体発光素子及びその製造方法を実現することができる。

【0046】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0047】

１、２、３、４、５：半導体発光素子、１０：支持基板、１１：バリア層、１２：接合層、１３：バリア層、１４：緩衝層、１５：バリア層、１６：反射層、１７：ＬＥＤ層、１８：上部電極層、１９：下部電極層、２１：チタン層、２２：白金層、２３：チタン層、２５：ｐ形層、２６：発光層、２７：ｎ形層、３０：結晶成長用基板、３１：接合層、３２：接合層、３３：インジウム層、４１：支持部材、４２：ＬＥＤ部材、４３：積層体、４６：支持部材、４７：ＬＥＤ部材、４８：導電性合金化抑制層、４９：電流狭窄層、５０：ブレード、１０１：半導体発光素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】